昆明学院，Pt. B-Eng.：通过在氮掺杂碳颗粒阴极内原位封装FeMo合金纳米粒子，实现了耐用且温度适应的柔性可充电锌空气电池

便携式和可穿戴电子产品的快速发展激发了人们对宽温度范围内可以安全、经济高效和可靠运行的储能系统的需求，在现有的候选电池中，可充电锌空气电池（RZABs）因其本质安全性、低成本和环保性而受到广泛关注。然而，一般阴极催化剂的氧还原反应（ORR）和氧生成反应（OER）动力学不足，特别是高温下材料腐蚀和低温下传质速率低，导致效率低和循环性能差，从而限制了柔性RZABs在宽温度范围内的实际应用，双金属合金如（FeCo、FeNi和NiCo）具有可调的配位结构和高度暴露的活性位点，具有优异的ORR和OER活性；然而，合金颗粒的导电性是有限的，它们在高温下容易聚集、溶解或发生结构变化。使用ZIF-8作为前驱体和自生长方法合成了嵌入氮掺杂多孔碳颗粒中的FeMo合金纳米颗粒复合物（FeMo/NCPs），既有效抑制了金属颗粒团聚与溶解，提升了电子传导效率，又防止在高温下ORR和OER过程中的结构坍塌、腐蚀和失活，赋予柔性锌空气电池(FRZABs)优异的宽温适应性与长期循环稳定性。该策略为FRZABs实现在宽温域内（-25 °C~60 °C）稳定运行提供了新的设计思路与具有重要的应用前景与学术价值。

近日，昆明学院胡素娟课题组在国际期刊Composites Part B上发表的题为“Durable and temperature-adapted flexible rechargeable zinc-air batteries enabled by in-situ encapsulated FeMo alloy nanoparticles within nitrogen-doped carbon particles cathode”的研究论文。该研究通过设计嵌入氮掺杂多孔碳颗粒中的FeMo合金纳米颗粒（FeMo/NCPs）作为催化剂，系统揭示了双金属合金协同效应在调控电子结构与活性位点中的关键作用。同步辐射结果验证了Fe和Mo在氮掺杂碳基体中的原子分散，借助密度泛函理论（DFT）计算，理论计算证实了引入Mo优化了催化剂的电子结构，降低了ORR关键步骤中OH*脱附的自由能垒，提升了O₂吸附与中间体转化行为，在碱性介质中，催化剂的半波电位（E1/2）为0.85V，在10 mA cm^-2下的电位（E10）为1.62V。在-25至60 °C宽温区间内，基于FeMo/NCPs的水性RZABs的循环寿命超过2720 h，峰值功率密度为139 mW cm-2，研究为宽温柔性FRZABs的电极材料开发与稳定性设计提供了新策略与理论指导。

使用ZIF-8作为前驱体和自生长方法合成了嵌入氮掺杂多孔碳颗粒中的FeMo合金纳米颗粒复合物（FeMo/NCPs）,解决了高温和低温下ORR和OER动力学不足，结构和界面稳定性差的问题以及在宽温度范围内的适应性问题。源自ZIF-8的多孔碳基质不仅提供了高比表面积，还提供了优异的机械强度，为FeMo合金纳米粒子提供了稳定的支撑，并防止了在高温下ORR和OER过程中的结构坍塌、腐蚀和失活。

对于OER，FeMo/NCPs在10mA cm^-2下实现了390 mV的低过电位，优于Fe/NCPs（460 mV）和Mo/NCPs（540 mV）, FeMo/NCPs的塔菲尔斜率为163 mV dec^-1，优于Fe/NCPs（202 mV dec^-1）和Mo/NCPs（258 mV dec^-1），表明FeMo/NPCs可以促进电催化界面上的快速电荷转移,此外，FeMo/NCPs的转换频率（TOF）约为0.06 s^-1（η=390 mV），分别是Fe/NCPs（0.0238 s^-1）和Mo/NCP（0.009 s^-1）的3倍和7倍。基于FeMo/NPCs阴极在1至50 °C范围内表现出优异的宽温稳定性，ORR测试中，FeMo/NCPs的半波电位（E1/2）从0.84 V提升至0.87 V，在FeMo/NCPs上进行2500次CV循环后，ΔE10 = 22 mV；ΔE1/2 = 19 mV，表明该材料在长时间的电化学循环下保持了良好的稳定性和活性，整体结果表明，FeMo/NCPs在宽温度区间内均可维持稳定的双功能催化活性，体现了其在极端环境下应用于柔性锌空气电池的潜力。

作为概念验证，评估了FeMo/NCP作为阴极催化剂在RZABs水溶液中的应用，功率密度曲线显示最大功率密度为139 mW cm⁻²，在5mA cm^-2下，循环寿命达到2674 h，将FeMo/NCPs作为空气阴极催化剂应用于FRZABs探索来其在可穿戴和便携式电子设备中的适用性，柔韧性测试表明，FRZABs在0到145°的各种弯曲角度下保持了稳定的充放电电压，在6.0 ℃环境下，志愿者佩戴FRZABs在跑道上连续完成两圈（每圈400 m）跑步测试过程中，所连接的LED灯带始终保持稳定亮灯状态，充分验证了器件在低温动态条件下的优异稳定性与实用性。

为了拓展FRZABs在室外复杂环境下的应用，开发具备极端温度适应能力的FRZABs显得尤为重要。基于FeMo/NCPs阴极的FRZABs在低温环境下依然展现出优异性能，其中在−15 ℃与0 ℃下的放电持续时间分别达到89 h和106 h；在−15 ℃、20 ℃和60 ℃下，其功率密度分别可达98、121和141 mW cm^-2。同时，在春、夏、冬等不同季节条件下，所构建的LED照明系统均可保持稳定运行，进一步验证了其在多变环境中的良好稳定性与实用性。

胡素娟教授简介：胡素娟，教授/硕导，化学化工学院副院长，云南省金属有机分子材料与器件重点实验室副主任，云南省“兴滇英才支持计划”青年人才，云南省科技专家。科研方向为硅/锗/锌/锡基空气电池和燃料电池等。近五年，主持国家自然科学基金项目2项，省部级项目6项，获云南省自然科学三等奖1项，以第一/通讯作者身份在Energy Stor. Mater.、Coordin. Chem. Rev.、Carbon Energy、Chem. Eng. J.、Chin. Chem. Lett.等高水平中科院一区期刊上发表论文40余篇，编著书籍1部，授权国家发明专利2件，担任中科院一区《Rare Metals》期刊杰出青年编委。获校本科一流课程立项1门，指导本科生和研究生获国家级/省级科研项目立项共计10项，指导本科生和研究生竞赛获一等奖等共计5项。

高树林副教授简介：高树林，理学博士，化学化工学院副教授/硕导。研究方向为储能材料的理论计算和表面催化机理，获校本科一流课程立项2门，主持省级科研项目2项，以第一/通讯作者身份发表论文20余篇。

胡吉彩，庞胜翠为昆明学院化学化工学院2024和2022级硕士研究生，研究方向为锌空气电池的性能与应用。